رشد جنین مگس میوه قادر به اصلاح ژنتیکی است

حیوانات علی رغم شرایط متغیر در طول جنین زایی، توانایی شگفت انگیزی برای رشد قابل اعتماد دارند. پژوهش جدیدی که به موازات این هفته در PLoS Biology و PLoS Computational Biology منتشر شد، به این موضوع می‌پردازد که چگونه موجودات زنده می‌توانند به شکل‌های دقیق و بالغ تبدیل شوند، وقتی که در مراحل رشد آنها تنوع زیادی وجود دارد.

تیمی به رهبری جان راینیتز در دانشگاه استونی بروک، و با حمایت مالی مؤسسه ملی بهداشت، نشان می دهد که چگونه جنین مگس میوه می تواند نسخه های اولیه نادرست برنامه بدن خود را "فراموش کند" و به مگس های بالغ قابل تشخیص تبدیل شود.

دکتر جان راینیتز گفت: «نتایج ما نشان می‌دهد که گروه‌هایی از ژن‌ها می‌توانند روی یکدیگر برای کاهش تنوع عمل کنند و اهمیت شبکه‌های ژنتیکی در ایجاد توسعه قوی را برجسته می‌کند.»

Canalization، یک اصل از زیست شناسی رشدی است که بیش از 60 سال پیش توسط C. H. Waddington، خاصیت رشد جنینی است که به موجب آن فعل و انفعالات ژنتیکی می توانند واکنش های بیوشیمیایی را تنظیم کنند تا نتایج رشد قابل اعتمادی را علیرغم شرایط متغیر به دست آورند. پیشرفت زیادی در درک بافر تنوع ژنوتیپی و محیطی صورت گرفته است و جهش‌های فردی که تنوع را نشان می‌دهند شناسایی شده‌اند. با این حال، مکانیسم‌هایی که توسط آن فعل و انفعالات ژنتیکی باعث ایجاد کانال‌سازی می‌شوند، هنوز به خوبی شناخته نشده‌اند، زیرا این نیاز به داده‌های مولکولی در مورد عوامل و مدل‌های تعیین‌کننده رشد متعددی دارد که به درستی برهمکنش‌های پیچیده را پیش‌بینی می‌کنند.

دکتر می‌گوید: «ما از داده‌های بیان ژن با وضوح مکانی و زمانی بالا برای ژن‌های شکاف درگیر در تقسیم‌بندی جنین مگس میوه مگس سرکه استفاده می‌کنیم.»راینیتز ما همچنین از یک مدل ریاضی برای نشان دادن اینکه تنظیم متقابل بین ژن‌های شکاف مسئول کانال‌سازی در این سیستم است، استفاده می‌کنیم.»

مدل فعل و انفعالات خاصی را پیش‌بینی کرد که باعث کانال‌زدایی می‌شد، و پیش‌بینی به‌طور تجربی تأیید شد.

دکتر راینیتز می گوید: "با کانالیزاسیون، اگر یک پروتئین بیش از حد در جنین وجود داشته باشد، شبکه ای از ژن ها از نظر تئوری می توانند مقدار آن پروتئین موجود را تغییر دهند، به طوری که نتیجه برای جنین طبیعی بود.". "از زمانی که این اصل پیشنهاد شد، پیشرفت زیادی در درک بافر تنوع حاصل شده است، اما مکانیسم‌های خاصی که توسط آن فعل و انفعالات ژنتیکی به کانال‌سازی کمک می‌کنند - تا به حال نامشخص باقی مانده‌اند."

نویسندگان با اندازه‌گیری غلظت پروتئین‌های خاص در جنین‌های مگس سرکه طبیعی و جهش‌یافته، در مراحل اولیه رشد، زمانی که جنین شبیه یک توپ توخالی راگبی است، شروع کردند. هر پروتئین از یک ژن سنتز می شود و هر یک از پروتئین های اندازه گیری شده نقش تنظیمی دارند. آنها می توانند ژن خود - و دیگران - را روشن و خاموش کنند.نویسندگان مجموعه‌ای از معادلات را ایجاد کردند که می‌توانست انتشار پروتئین‌ها و عملکرد آن‌ها بر روی ژن خود و سایر ژن‌های شبکه را توصیف کند. این معادلات نشان می دهد که طیف وسیعی از شرایط اولیه (از نظر غلظت پروتئین) منجر به چندین شرایط نهایی ممکن می شود. این شرایط نهایی که نقاط ثابت نامیده می‌شوند، وضعیت نهایی فرآیند تقسیم‌بندی جنین مگس میوه را کنترل یا توصیف می‌کنند. آنها اجازه تنوع در جنین را نمی دهند و اطلاعات اولیه را "فراموش می کنند". این ویژگی ریاضی همراه با دقت آنها در توصیف فرآیندهای بیولوژیکی می تواند برای توضیح نظری مدل کانالیزاسیون Waddington استفاده شود.

راینیتز می‌گوید: «این مطالعه نمونه‌ای از این است که چگونه زیست‌شناسی در حال تبدیل شدن به یک رشته دقیق و کمی مانند فیزیک است.»

این اثر حاصل همکاری بین المللی نویسندگان، از جمله مانو از دانشگاه استونی بروک است. دیوید اچ شارپ از آزمایشگاه ملی لس آلاموس، و سوتلانا سورکوا و ماریا سامسونوا از دانشگاه پلی تکنیک ایالتی سنت پترزبورگ.